精密制造加工状态监测系统的设计
在精密制造加工中，产品变得微型精密化，生产过程必须实时的监测。因此需要对生产车间设备的运行状态信息进行在线监控。采取方便简单的监测方法和精确处理技术，实时、准确的把握设备运行状况，使设备安全、有效与经济运行是设备监测的首要目的。通过对噪音、振动、电压和电流的监测，时时掌握产品的加工状态，从而达到精密制造加工。通过本课题，设计出精密制造加工状态的监测系统能够使生产顺利进行，降低成本，提高经济效益，促进企业技术进步，对我国制造业的进步和发展有着积极的促进作用。本论文课题的开发平台是美国国家仪器公司（NI）的软件--虚拟仪器LabVIEW，使用NI数据采集卡建立软硬件结合的精密制造加工状态监测系统，着重于如何在生产中捕捉信号，并且对采集得到的复杂信息，应用现代数学信号分析方法进行分析处理。系统硬件设置：硬件设置以NI USB-9219数据采集卡为基础，选择与各被测量量对应的传感器。系统软件设计：数据采集与分析模块、数据回放模块、人工智能专家系统和报警显示模块。在线监测实验：检查监测系统的可靠性。通过本课题可以对加工的状态进行直观有效的在线监测，使加工更为精确，加工过程更为安全。关键词：精密制造，加工状态，在线监测，LabVIEW,智能预警 目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 虚拟仪器软件LabVIEW概况 1
1.3 研究现状 4
1.4 精密制造加工状态监测系统的设计的意义 6
1.5 精密制造加工状态监测系统的发展趋势 7
1.6本文的研究内容 8
第二章 基于LabVIEW的状态监测系统的设计 9
2.1 系统的总体结构 9
2.2 电压、电流监测方案的设计 10
2.2.1 电压/电流传感器的选择 10
2.2.2 数据采集 12
2.3 振动、噪音监测方案的设计 13
2.3.1 振动监测方案 13
2.3.2 噪音监测方案设计 14
第3章 基于LabVIEW的精密制造加工状态监测软件的研制 16
3.1 软件总体设计 16
3.2 数据采集与分析模块 17
3.2.1 电压、
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2.2.2 数据采集 12
2.3 振动、噪音监测方案的设计 13
2.3.1 振动监测方案 13
2.3.2 噪音监测方案设计 14
第3章 基于LabVIEW的精密制造加工状态监测软件的研制 16
3.1 软件总体设计 16
3.2 数据采集与分析模块 17
3.2.1 电压、电流信号的采集 17
3.2.2 电压电流的信号分析模块 20
3.2.3 振动、噪音采集与分析模块 24
3.3 数据回放模块 25
3.4 异常信号报警显示模块 25
3.4.1 振动、噪音报警模块的设计 25
3.4.2 电压、电流异常信号报警警示模块 27
3.5 本章小结 28
第四章 精密制造加工状态监测数据处理方法 29
4.1 数据的处理分析 29
4.2 平均值及峰值 29
4.3 滤波（高通、低通、中通） 30
4.4 监测加工信号时域和频域分析 31
4.4.1 信号的时域特征分析 32
4.4.2 频域特征分析 34
4.5 本章小结 34
总结与展望 36
致谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1研究背景
在精密制造加工状态监测系统中，电压、电流、振动和噪音是表征加工状态的重要参数。为了更好的监测加工状态，需要对这些物理参量进行快速有效的测量,进而进行分析。
从上个世纪60年代末期开始，对在线监测做了普遍的研究工作，尤其伴随着计算机技术的兴起发展，生产监测领域或得了一部分突破的进步 。但由于制造加工系统的复杂性，加工对象设备随机影响因素变化极大，真正投入实用的监测系统并不多，还有很多问题有待解决。鉴于此，现有的加工状态监测系统无法满足科技快速发展的今天，无法满足科研、教学和生产实践。急迫的需要研制一套操作简单、先进的状态监测系统，满足制造业的发展。
随着数据采集技术的发展，软件平台的完善，特别是NI数据采集卡的横空问世和LabVIEW软件的推出，这让精密生产加工的监测和分析诊断系统更容易开发，设计和建立系统的成本逐步降低。而且由于现在又有NI 9219数据采集卡，使得本课题研究得以实施。
1.2虚拟仪器软件LabVIEW概况
生产监测系统可以基于不同的软件，但是对于同一项目，基于不同的平台，其结果和过程是十分不同的。而且建立的监测系统稳定性和准确性必须达到生产的要求，并且综合考虑开发成本。因此要选用最佳的软件开发平台——LabVIEW。
虚拟仪器是一个革命性的概念，打破了以往传统的观念即测量各种信号都必须通过实实在在的物理仪器。在过去的观念之中，测量某种信号都有与之对应的仪器，因此在企业中都有各种各样的仪器仪表以应对的生产过程中的对各种参数的监测。这种落后的技术显然增加了企业的生产成本。在此基础上，一个创新型的概念——虚拟仪器在上个世纪八十年代在国外提出。在国内，哈尔滨工业大学等也开始对虚拟仪器的开发。
虚拟仪器是一个与众不同的概念，它是将测试技术与计算机技术相结合的产品。就仪器设备和计算机相结合的方式上来看。虚拟仪器又有两大种类。第一种是把计算机置于测试仪器之中，称之为智能仪器；第二种为把测试仪器内嵌于计算机当中为虚拟仪器。相比较而言，虚拟仪器对智能仪器更具有优势。它能够利用计算机进行数据的处理分析、存储和显示。由于虚拟仪器的诸多优势，在很多领域已经开始广泛使用。
就虚拟仪器的发展来讲，传统仪器的广泛运用和发展，最终使虚拟仪器发展起来。它既保留了传统仪器的优点，而且更是克服了传统仪器的一些缺点。传统仪器一般都是单独的采集信号并进行处理和显示，而虚拟仪器可以将处理、显示都由计算机一起来完成。从采集到处理分析和显示，形成一套完整的测试体系。
图11 虚拟仪器的组成
虚拟仪器拥有诸多的优点，能够对复杂多变的变化信号进行多样的分析、处理。还有十分友好的人机界面。尽管处理程序可能很复杂，但是界面可以非常的简洁整齐。用户可以通过对虚拟仪器程序的编写，达到自己的设计要求。不再需要根据不同的功能要求去购买不同的仪器 。这些都减轻了企业公司的成本，达到了资源的节省，使虚拟仪器得到普遍的发展应用。
与传统仪器相比较，虚拟仪器具有智能化、模块化等特点，用户的操作更为简单便捷、成本更为降低。各个公司仪器都将其作为主要的发展方向。
虚拟仪器的特征：
性能高
计算机性能的提高使虚拟仪器的性能也随之提高。特别是计算机的运算处理速度和数据传输速度的提高及存储容量的增加，大大促进了虚拟仪器性能的飞跃。这让虚拟仪器完全能跟得上生产测量不断增加的要求。
扩展性强、灵活性好
对于不同的监测任务，用户可以根据自己的需要选择硬件设备和控制任务中的软件。当系统中不存在需要的程序时，此时可以扩展此项功能，自己编写程序达到自己的要求。与传统仪器相比较，软件的适应性、扩展性强，用户通过修改或者编写相应的程序就可以完成不同的测试。
智能化程度高
与虚拟仪
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 虚拟仪器软件LabVIEW概况 1
1.3 研究现状 4
1.4 精密制造加工状态监测系统的设计的意义 6
1.5 精密制造加工状态监测系统的发展趋势 7
1.6本文的研究内容 8
第二章 基于LabVIEW的状态监测系统的设计 9
2.1 系统的总体结构 9
2.2 电压、电流监测方案的设计 10
2.2.1 电压/电流传感器的选择 10
2.2.2 数据采集 12
2.3 振动、噪音监测方案的设计 13
2.3.1 振动监测方案 13
2.3.2 噪音监测方案设计 14
第3章 基于LabVIEW的精密制造加工状态监测软件的研制 16
3.1 软件总体设计 16
3.2 数据采集与分析模块 17
3.2.1 电压、
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2.2.2 数据采集 12
2.3 振动、噪音监测方案的设计 13
2.3.1 振动监测方案 13
2.3.2 噪音监测方案设计 14
第3章 基于LabVIEW的精密制造加工状态监测软件的研制 16
3.1 软件总体设计 16
3.2 数据采集与分析模块 17
3.2.1 电压、电流信号的采集 17
3.2.2 电压电流的信号分析模块 20
3.2.3 振动、噪音采集与分析模块 24
3.3 数据回放模块 25
3.4 异常信号报警显示模块 25
3.4.1 振动、噪音报警模块的设计 25
3.4.2 电压、电流异常信号报警警示模块 27
3.5 本章小结 28
第四章 精密制造加工状态监测数据处理方法 29
4.1 数据的处理分析 29
4.2 平均值及峰值 29
4.3 滤波（高通、低通、中通） 30
4.4 监测加工信号时域和频域分析 31
4.4.1 信号的时域特征分析 32
4.4.2 频域特征分析 34
4.5 本章小结 34
总结与展望 36
致谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1研究背景
在精密制造加工状态监测系统中，电压、电流、振动和噪音是表征加工状态的重要参数。为了更好的监测加工状态，需要对这些物理参量进行快速有效的测量,进而进行分析。
从上个世纪60年代末期开始，对在线监测做了普遍的研究工作，尤其伴随着计算机技术的兴起发展，生产监测领域或得了一部分突破的进步 。但由于制造加工系统的复杂性，加工对象设备随机影响因素变化极大，真正投入实用的监测系统并不多，还有很多问题有待解决。鉴于此，现有的加工状态监测系统无法满足科技快速发展的今天，无法满足科研、教学和生产实践。急迫的需要研制一套操作简单、先进的状态监测系统，满足制造业的发展。
随着数据采集技术的发展，软件平台的完善，特别是NI数据采集卡的横空问世和LabVIEW软件的推出，这让精密生产加工的监测和分析诊断系统更容易开发，设计和建立系统的成本逐步降低。而且由于现在又有NI 9219数据采集卡，使得本课题研究得以实施。
1.2虚拟仪器软件LabVIEW概况
生产监测系统可以基于不同的软件，但是对于同一项目，基于不同的平台，其结果和过程是十分不同的。而且建立的监测系统稳定性和准确性必须达到生产的要求，并且综合考虑开发成本。因此要选用最佳的软件开发平台——LabVIEW。
虚拟仪器是一个革命性的概念，打破了以往传统的观念即测量各种信号都必须通过实实在在的物理仪器。在过去的观念之中，测量某种信号都有与之对应的仪器，因此在企业中都有各种各样的仪器仪表以应对的生产过程中的对各种参数的监测。这种落后的技术显然增加了企业的生产成本。在此基础上，一个创新型的概念——虚拟仪器在上个世纪八十年代在国外提出。在国内，哈尔滨工业大学等也开始对虚拟仪器的开发。
虚拟仪器是一个与众不同的概念，它是将测试技术与计算机技术相结合的产品。就仪器设备和计算机相结合的方式上来看。虚拟仪器又有两大种类。第一种是把计算机置于测试仪器之中，称之为智能仪器；第二种为把测试仪器内嵌于计算机当中为虚拟仪器。相比较而言，虚拟仪器对智能仪器更具有优势。它能够利用计算机进行数据的处理分析、存储和显示。由于虚拟仪器的诸多优势，在很多领域已经开始广泛使用。
就虚拟仪器的发展来讲，传统仪器的广泛运用和发展，最终使虚拟仪器发展起来。它既保留了传统仪器的优点，而且更是克服了传统仪器的一些缺点。传统仪器一般都是单独的采集信号并进行处理和显示，而虚拟仪器可以将处理、显示都由计算机一起来完成。从采集到处理分析和显示，形成一套完整的测试体系。
图11 虚拟仪器的组成
虚拟仪器拥有诸多的优点，能够对复杂多变的变化信号进行多样的分析、处理。还有十分友好的人机界面。尽管处理程序可能很复杂，但是界面可以非常的简洁整齐。用户可以通过对虚拟仪器程序的编写，达到自己的设计要求。不再需要根据不同的功能要求去购买不同的仪器 。这些都减轻了企业公司的成本，达到了资源的节省，使虚拟仪器得到普遍的发展应用。
与传统仪器相比较，虚拟仪器具有智能化、模块化等特点，用户的操作更为简单便捷、成本更为降低。各个公司仪器都将其作为主要的发展方向。
虚拟仪器的特征：
性能高
计算机性能的提高使虚拟仪器的性能也随之提高。特别是计算机的运算处理速度和数据传输速度的提高及存储容量的增加，大大促进了虚拟仪器性能的飞跃。这让虚拟仪器完全能跟得上生产测量不断增加的要求。
扩展性强、灵活性好
对于不同的监测任务，用户可以根据自己的需要选择硬件设备和控制任务中的软件。当系统中不存在需要的程序时，此时可以扩展此项功能，自己编写程序达到自己的要求。与传统仪器相比较，软件的适应性、扩展性强，用户通过修改或者编写相应的程序就可以完成不同的测试。
智能化程度高
与虚拟仪
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